切換式LED驅(qū)動(dòng)器調(diào)光技術(shù)研究

在 LED 照明設(shè)備數(shù)量增長(zhǎng)的趨勢(shì)下，提供給 LED 受控電源的集成電路裝置不斷推陳出新。如何節(jié)省能源是目前全球的重要議題，而耗電的線性電流源早已不符合這項(xiàng)要求，因此切換式 LED 驅(qū)動(dòng)器取而代之成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。從手電筒到體育館計(jì)分板等各式應(yīng)用都要求可準(zhǔn)確控制調(diào)節(jié)電流。在許多實(shí)例中我們發(fā)現(xiàn)還需要可實(shí)時(shí)變更 LED 輸出強(qiáng)度的機(jī)制。此功能就是所謂的“調(diào)光控制”。本文在于說(shuō)明基本 LED 理論以及數(shù)種用于切換式 LED 驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光控制技術(shù)。

LED 亮度與色溫

LED 亮度

測(cè)量 LED 可見(jiàn)光亮度的單位為光通量“強(qiáng)度”，燭光 (cd)。測(cè)量 LED 總電源輸出的單位則為流明 (lm) 量。此外我們也必須了解平均正向 LED 電流會(huì)決定 LED 的亮度。

LED 色溫

色溫是一種度量方法，說(shuō)明 LED 射出的光色彩，并且可在 LED 數(shù)據(jù)表上數(shù)量化這些信息。特定 LED 的色溫將被指定于某范圍內(nèi)，而且會(huì)根據(jù)正向電流、接面溫度以及使用時(shí)間的不同而有所變化。低色溫的光線偏紅黃(暖色溫)，而較高數(shù)值的色溫則偏藍(lán)綠(冷色溫)。許多有顏色的 LED 會(huì)指定主波長(zhǎng)而取代指定色溫，而且提供波長(zhǎng)的位移量。

LED 調(diào)光方式

用來(lái)調(diào)節(jié) LED 亮度的切換式驅(qū)動(dòng)器電路有兩種最常見(jiàn)的方式有兩種：脈沖寬度調(diào)變調(diào)光 (PWM Dimming) 與模擬調(diào)光 (Analog Dimming)。這兩種方式都是透過(guò) LED 或 LED 燈串來(lái)控制平均電流，但是仔細(xì)比較這兩種調(diào)光技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)其中的明顯差異。

Vin 必須要高于 LED + RSNS 的總電壓。電感器電流為 LED 電流。藉由監(jiān)測(cè) CS 接腳的電壓就可調(diào)節(jié)電流。CS 開(kāi)始降低至設(shè)定電壓之下時(shí)，通過(guò) L1 的電流脈沖工作周期(造成 LED 與 RSNS 增加)會(huì)增加平均LED 電流。為控制器的 CS 電壓選擇正確的 RSNS 就可設(shè)定 LED 電流。

模擬調(diào)光

LED 模擬調(diào)光意指調(diào)整每一周期 LED 電流。簡(jiǎn)單的說(shuō)，這是一種調(diào)整“恒定”LED 電流層級(jí)的方式。只要調(diào)整電流感應(yīng)電阻 RSNS，或是在 IC 的部份 DIM 功能接腳上驅(qū)動(dòng)模擬電壓，就可完成模擬調(diào)光。圖 1 說(shuō)明兩種可能的模擬調(diào)光方式。

調(diào)整 RSNS 進(jìn)行模擬調(diào)光

從圖 1 可以得知 RSNS 的數(shù)值變更時(shí)，固定 CS 參考電壓就會(huì)產(chǎn)生LED電流的改變。如果可以找到處理高 LED 電流的電位計(jì)，而且還有 sub-1 奧姆數(shù)值，就可使用此方法調(diào)整LED光線。

在 CS 接腳上驅(qū)動(dòng) DC 電壓進(jìn)行模擬調(diào)光

另一個(gè)較復(fù)雜的調(diào)光技術(shù)則是藉由驅(qū)動(dòng)電壓至CS接腳內(nèi)，直接控制LED的每一周期電流。電壓源通常會(huì)插入取樣 LED 電流的回饋回路，并由放大器緩沖。放大器的增益可控制LED電流。有了這種回饋電路后，就可以執(zhí)行電流與熱保護(hù)機(jī)制等功能，進(jìn)而保護(hù)LED。

模擬調(diào)光的缺點(diǎn)是射出光的色溫可能會(huì)因?yàn)長(zhǎng)ED電流而有所變化。在LED色溫達(dá)到臨界的情形下，或是特定LED因?yàn)長(zhǎng)ED電流變化而顯示色溫有很大的變化時(shí)，無(wú)法改變LED電流來(lái)調(diào)整LED輸出。

PWM 調(diào)光

PWM調(diào)光方式為 LED 電流在短時(shí)間內(nèi)的實(shí)際啟動(dòng)與重新啟動(dòng)動(dòng)作。啟動(dòng)–重新啟動(dòng)周期的頻率必須快于人類肉眼所能看到的速度，避免造成燈光閃爍，一般而言，200Hz 或更快的頻率是可被接受的頻率。

這種 LED 調(diào)光對(duì)調(diào)光波長(zhǎng)的工作周期為比例性的調(diào)整，是由以下的方程式?jīng)Q定：

IDIM-LED = DDIM X ILED

其中，IDIM-LED為平均 LED 電流，DDIM為調(diào)光波長(zhǎng)的工作周期，而 ILED為額定 LED 電流設(shè)定搭配RSNS 選擇。

調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)器

現(xiàn)在有許多 LED 驅(qū)動(dòng)器擁有特殊的 PWM DIM 接腳，可接受較寬廣范圍的 PWM 頻率與振幅，從而簡(jiǎn)易的與外部邏輯建立接口。DIM 功能僅會(huì)關(guān)閉輸出驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)讓內(nèi)部電路繼續(xù)運(yùn)作，因此避免重新啟動(dòng) IC 的延遲。我們也可以使用輸出啟動(dòng)接腳與其他邏輯關(guān)閉的功能。

雙線式 PWM 調(diào)光

雙線式 PWM 調(diào)光是汽車(chē)內(nèi)部照明所常用的調(diào)光方式。由于 VIN 調(diào)節(jié)至 VIN-NOMINAL 的 70% 以下，可偵測(cè)到電壓的改變并將 PWM波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成輸出驅(qū)動(dòng)的相對(duì)應(yīng)PWM。此方法的缺點(diǎn)在于轉(zhuǎn)換器的電源必須包含可將PWM波長(zhǎng)重迭至本身DC輸出的電路。